CC BY
31
УДК 621.74
ПРИМЕНЕНИЕ АКТИВИРОВАННЫХ ШЛАКОСИЛИКАТНЫХ ОТХОДОВ В ЛИТЕЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
О.М. Пашнина, В.К. Дубровин
Литье по выплавляемым моделям в песчаноцементные формы позволяет изготовить высококачественное литье, преимущественно тонкостенное и сложнопрофильное, является высокопроизводительным процессом с низкой себестоимостью готовой продукции. Применение этой технологии не только для цветных, но и для черных сплавов, привело к проблеме повышенного брака из-за поражения поверхности литых изделий газовыми раковинами. Экспериментальные исследования и теоретический анализ возможных причин показал, что газовая пористость является следствием содержания в составе формовочных материалов гипса и высокого прогрева формы при заливке. Учитывая, что при заливке чугуна поверхность формы быстро прогревается до температуры металла
1000... 1300 °С, следует ожидать одновременного выделения С02 и 802 в качестве продуктов взаимодействия Са804 с углеродом металлического сплава. Таким образом, можно говорить о том, что углерод при высоких температурах является основной причиной распада Са804 с образованием газообразных оксидов - С02, 802 и СО.
При изготовлении ажурного и тонкостенного литья из черных металлов, когда необходима заливка металла только в горячую форму, получение качественных изделий становится возможным в случае применение кристаллогидратного связующего с низким содержанием гипса. Вариантом ликвидации вредного влияния гипса на качество литых изделий является: исключение или уменьшение сульфата кальция в составе связующего.
Технология производства портландцемента заключается в тонком измельчении клинкера с введением различных добавок для получения требуемых свойств. Клинкером является обожженная до плавления или спекания сырьевая смесь определенного состава. Сырьевыми материалами для производства портландцементного клинкера чаще всего служат горные породы - глина и известняк, содержащие углекислый кальций. При обжиге они взаимодействуют между собой, образуя различные минералы, которые в основном определяют важнейшие строительные свойства портландцемента. Важнейшими минералами портландцементного клинкера являются:
- трехкальциевый силикат (алит) - ЗСаО-8Ю2;
- двухкальциевый силикат (белит) - 2Са08Ю2;
- трехкальциевый алюминат - ЗСа0А1203;
- четырехкальциевый алюмоферрит -4СаО-А1203 Ре203.
Клинкер является полуфабрикатом, далее при производстве портландцемента для строительных
растворов и бетонов его размалывают с добавлением 3-6 % гипса, что необходимо для регулирования сроков схватывания после затворения его водой [1].
Так как портландцемент имеет основное применение в промышленности как строительный материал, то выпуск производится с учетом только требований строительной промышленности на его физико-химические, технологические и эксплуатационные свойства. Но видимые перспективы применения цемента в литейном производстве, как качественного, экономичного и экологически чистого связующего для получения точного литья, выдвигают свои критерии к продукции, выпускаемой цементными заводами. Производство безгипсового цемента технологически возможно - исключение добавки гипса на стадии помола клинкера.
Возможно и уменьшение фактического содержания гипса в портландцементе за счет разбавления его материалом, состоящим из основных окислов СаО, 8Ю2, А1203 и Ре2Оэ. Таким является шлак металлургического производства, содержащий большое количество двухкальциевого силиката 2СаО-8Ю2. Путем его диспергирования (до
3000...3500 см3/г) и добавления к портландцементу до 50 %, можно в 2 раза снизить содержание гипса в цементе, тем самым значительно ослабить отрицательное воздействие сульфата кальция, уменьшить брак по газовым раковинам при литье в цементные формы.
Таким образом, происходит эффективная утилизация отходов металлургического производства, при этом получение нового связующего материала с необходимым набором реологических свойств. Проведенные дериватографические исследования показали (см. рисунок), что во всем интервале температур шлакоцемент испытывает равномерное снижение массы, а в интервале температур
1000... 1300 °С остается постоянным. Отсюда вытекает, что поведение шлакоцемента аналогично портландцементу, а также при высоких температурах стабильно и его можно использовать при производстве отливок из черных и цветных сплавов.
Сульфат кальция можно разложить путем нагрева при контакте с тонкоизмельченной угольной пылью. Сначала, при 900 °С, углерод восстанавливает сульфат кальция до сульфида, который в свою очередь при температуре 1200 °С взаимодействует с неразложившимся сульфатом, при этом образуется оксид серы (IV) и негашеная известь:
Са804 + 2С —Са8 + 2СОг;
Са8 + ЗСа804 4СаО + 4802.
54
Вестник ЮУрГУ, № 9, 2008
Пашнина О.М., Дубровин В.К.
Применение активированных шлакосиликатных ____________отходов в литейном производстве
-100
ПЦ-400. т = 1 г, Аг
-20
-40
-60
-80
-100
-20
-40
-60
-100
ПЦ-400 + графит, га = 1 г, Аг
TG
DTA
DTG
f 820 °С
1385°С|
200 400 600 800 1000 1200 1400
Т, "С
ШЩ-400 + графит, m = 1 г, Аг
200 400 600 800 1000 1200 1400 200 400 600 800 1000 1200 1400
Т, ”С Г, °С
Дериватографические кривые нагрева затворенного портландцемента и шлакоцемента
Так как данные реакции идут с образованием газовой фазы, то снижение температуры разложения сульфата кальция будет способствовать снижение внешнего давления, т.е. обжиг в вакууме.
Для оценки взаимодействия шлакоцемента с углеродом в исследуемую пробу был добавлен графит в количестве 1 %. При одинаковых условиях испытания, дериватографическая кривая ТО показывает, что в интервале температур 1000... 1250 °С шлакоцемент с графитом претерпевает постоянную убыль массы, которая составляет 4,95 %, а в пробе портландцемент - графит зафиксирован значительный наклон кривой Тв, значение уменьшения массы на этом участке температур равно 5,40 %. Таким образом, подтверждается возможность замены портландцемента шлак - цементом в качестве связующего в литейных технологиях, а также его преимущество при изготовлении чугунных отливок в песчано-цементные формы.
Особенностью двухкальциевого силиката является его способность увеличивать объем до 12 % в процессе охлаждения с 830 °С [2]. Уникальное свойство металлургического шлака расширятся при охлаждении, позволяет применить его в литейном производстве в качестве наполнителя песчано-цементной смеси. В этом случае шлак требует простой подготовки: сушки и измельчения,
причем диспергирование необходимо проводить до фракционного состава основного наполнителя -кварцевого песка, а именно 50... 160 мкм. Шлак, имея однородный минералогический состав с цементом, играет роль компенсатора полиморфных превращений в песчано-цементной смеси, сопровождающихся изменением объема при высоких температурах, и является химическим аналогом связующего материала.
Применение активированных металлургических отходов в литейном производстве возможно в зависимости от степени диспергирования либо как добавка к цементному связующему, либо в качестве наполнителя формовочной смеси. Это позволяет решить задачи ресурсосбережения, значительно снизить себестоимость готовой продукции, увеличить производительность, повысить физикохимические и технологические свойства формовочной смеси и при этом значительно улучшить качество отливок.
Литература
1. Справочник по химии цемента / Ю.М. Бутт, Б.В. Волконский, Г.Б. Егоров и др. -Л.: Стройиз-дат, Ленинградское отделение, 1980. - 224 с.
2. Иванов, В.Н. Словарь-справочник по литейному производству / В.Н. Иванов. - М.: Машиностроение, 1990. — 384 с.
Серия «Металлургия», выпуск 10
55
